[發明專利]用于檢測深層結構裂隙的超聲測量系統及檢測方法

在審

• 申請號: 201710557254.7
• 申請日: 2017-07-10
• 公開（公告）號: CN107290429A
• 公開（公告）日: 2017-10-24
• 發明（設計）人: 項四平;陶超
• 申請（專利權）人: 無錫海鷹電子醫療系統有限公司
• 主分類號: G01N29/04
• 分類號: G01N29/04
• 代理公司: 總裝工程兵科研一所專利服務中心32002
• 代理人: 楊立秋

技術領域

本發明屬于裂隙檢測技術領域，尤其涉及一種用于檢測深層結構裂隙的超聲測量系統及檢測方法。

背景技術

材料內部微缺陷的評估是現代制造業產品質量控制的重要環節，例如金屬內部疲勞裂紋、焊接缺陷控制、3D打印質量在線監測、多層復合材料脫粘評估等等，均與材料內部的微裂隙密切有關。因此，對材料微裂隙的定量檢測對于材料和產品質量的控制具有重要的工程價值。

超聲檢測手段是最重要的無損檢測手段之一，超聲波具有穿透深度大、分辨率高等特點，可以提供被檢測樣品多維度、不同深度、不同尺度的結構和功能特性；此外，微裂隙中的包裹雜質或者空腔，與周圍材料的聲阻抗特性失配嚴重，容易引起強烈的聲散射和反射，因此，超聲檢測手段對于微裂隙的檢測上在靈敏度上具有先天優勢；最后，超聲檢測相對于利用X射線、γ射線等進行的放射探傷相比，具有非常好的生物安全性，因此，超聲檢測手段不僅僅有利于對于檢測操作人員健康的保護，而且在生物醫學成像領域也具有巨大的應用前景。

傳統超聲方法對微裂隙進行檢測和成像時，其空間分辨率取決于超聲測量系統所發射的超聲波的頻率和帶寬。為了定量地測量微裂隙尺寸，必須采用高頻、寬帶超聲系統。例如，為了獲得50μm的空間分辨率，超聲測量系統的工作頻率至少要在50MHz以上，這么高頻率的超聲波只能穿透非常短的材料，比如，在生物軟組織中的穿透深度僅有3mm；如果將工作頻率降到3.5MHz，雖然穿透深度提高了，但是空間分辨率降低到只有200μm左右。因此，傳統的超聲檢測系統，其分辨率和穿透深度之間總是互相沖突的。

發明內容

本發明的目的，是提供了一種用于檢測深層結構裂隙的超聲測量系統及檢測方法，該方法通過計算微裂隙超聲回波信號的功率譜，并提取頻譜斜率參量作為成像參量。由于頻譜斜率參量提取于超聲信號的低頻頻段，這個頻域所對應的波長大于微裂隙尺寸，且低頻信號能在材料傳播較長距離，從而實現了對材料深層微裂隙的定量評估。并且，通過引入一個校準過程，可以使得此方法和實驗系統本身的響應無關。

本文發明采用的技術方案為：

第一方面，提供了一種用于檢測深層結構裂隙的超聲測量系統，其特征在于，所述超聲測量系統包括超聲換能器、信號放大器、采集卡、數模轉換器、模數轉換器和計算模塊，其中：

所述計算模塊與所述數模轉換器的輸入端相連，所述數模轉換器的輸出端與所述信號放大器相連；

所述計算模塊還與所述模數轉換器的輸出端相連，所述模數轉換器的輸入端與所述采集卡相連，所述采集卡與所述信號放大器相連；

所述信號放大器與所述超聲換能器相連。

可選的，所述超聲換能器為用于發射超聲波和接收超聲波的超聲波收發器。

可選的，該超聲測量系統安置于顯微鏡內，或者，該超聲測量系統為顯微鏡。

第二方面提供了一種用于深層結構裂隙的檢測方法，所述方法應用于第一方面所述的超聲測量系統中，所述方法包括：

利用所述超聲測量系統的超聲換能器向超聲波全反射界面發射第一超聲脈沖，獲取所述第一超聲脈沖反射回的第一聲波信號，計算所述第一聲波信號的功率譜，得到第一功率譜；

利用所述顯微鏡的超聲換能器向被測物體的微裂隙上發射第二超聲脈沖，獲取所述第二超聲脈沖反射回的第二聲波信號，計算所述第二聲波信號的功率譜，得到第二功率譜；

將所述第一功率譜除以所述第二功率譜，得到校準后的功率譜；

在預定低頻頻段內對所述校準后的功率譜做線性擬合，得到線性擬合對應的斜率值；

根據預先計算得到的斜率值與微裂隙的直徑之間的對應關系，獲取所述線性擬合對應的斜率值所對應的直徑。

可選的，所述方法還包括：

獲取校準后的超聲回波功率譜函數，所述超聲回波功率譜函數僅與微裂隙的直徑參數相關；

將所述超聲回波功率譜函數換算成對數坐標，在預定帶寬范圍內，對進行過對數坐標換算的超聲回波功率譜函數進行線性擬合，得到線性擬合后對應的斜率函數，將所述斜率函數記為功率譜斜率函數，所述功率譜斜率函數中直徑參數為自變量，功率譜斜率為因變量；

根據所述功率譜函數，計算各個直徑所對應的功率譜斜率，得到各個直徑與功率譜斜率之間的對應關系。

可選的，所述獲取超聲回波功率譜函數，包括：

將超聲測量系統的響應函數、超聲回波信號函數以及超聲波反射系數函數進行卷積運算，得到超聲回波信號函數；對所述超聲回波信號函數進行傅里葉變換，得到頻域的超聲信號函數；